KR20200132231A - Method for fabricating thermoelectric element and thermoelectric element and thermoelectric module made thereby - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열전소자 제조 방법, 이를 이용한 열전소자 및 열전모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열전소자와 동일한 단면적을 갖는 압출재를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시키기 위한, 열전소자 제조 방법, 이를 이용한 열전소자 및 열전모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric device manufacturing method, a thermoelectric device and a thermoelectric module using the same, and more particularly, to manufacture an extruded material having the same cross-sectional area as a thermoelectric device, and to manufacture a thermoelectric device using the same, thereby increasing the yield of thermoelectric device manufacturing. For, it relates to a thermoelectric device manufacturing method, a thermoelectric device and a thermoelectric module using the same.
또한, 본 발명은 열전재료 소결체(40)를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시키기 위한, 열전소자 제조 방법, 이를 이용한 열전소자 및 열전모듈에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a thermoelectric device manufacturing method, a thermoelectric device using the same, and a thermoelectric module for manufacturing a thermoelectric material sintered
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.The thermoelectric phenomenon is a phenomenon that occurs by the movement of electrons and holes in a material, and means direct energy conversion between heat and electricity.
열전모듈은 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전소자와 N형 열전소자를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.The thermoelectric module is a generic term for a device using a thermoelectric phenomenon and has a structure in which a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.
열전모듈은 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.The thermoelectric module can be divided into a device that uses a temperature change of electrical resistance, a device that uses the Seebeck effect, which is a phenomenon in which an electromotive force is generated due to a temperature difference, and a device that uses the Peltier effect, which is a phenomenon in which heat absorption or heat generation by current occurs. .
열전모듈은 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있으며, 표면에 굴곡을 갖는 다양한 구조체에는 유연성을 갖는 열전소자가 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.Thermoelectric modules are variously applied to home appliances, electronic parts, and communication parts. For example, a thermoelectric device may be applied to a cooling device, a heating device, a power generation device, and the like, and a thermoelectric device having flexibility may be applied to various structures having curved surfaces. Accordingly, the demand for thermoelectric performance of the thermoelectric device is increasing more and more.
현재, 상용 비스무스 텔루라이드계(Bismuth Telluride, Bi2Te3)(즉, Bi-Te계) 열전모듈에 적용되는 열전소자는 도 1에 나타낸 공정으로 제조된다. 도 1은 잉곳 형태의 열전재료로부터 직육면체 형태의 열전소자를 제조하는 공정을 설명하는 도면이다.Currently, a thermoelectric device applied to a commercial Bismuth Telluride (Bi 2 Te 3 ) (ie, Bi-Te-based) thermoelectric module is manufactured by the process shown in FIG. 1. 1 is a diagram illustrating a process of manufacturing a rectangular parallelepiped type thermoelectric element from an ingot type thermoelectric material.
구체적으로, 잉곳 형태의 열전재료를 이용하여 열전소자가 제조되면, 열전성능이 불균일한 잉곳의 양쪽 끝 부분이 제거된다. 이 경우에는 전체 열전재료에서 약 20%가 제거된다. Specifically, when a thermoelectric device is manufactured using an ingot-type thermoelectric material, both ends of the ingot having non-uniform thermoelectric performance are removed. In this case, about 20% of the total thermoelectric material is removed.
다음, 열전소자 두께에 맞게 슬라이싱(slicing)을 통해 웨이퍼(wafer)가 제조된다. 이 경우에는 다시 13%가 제거되어 전체 열전재료의 67%가 남게 된다.Next, a wafer is manufactured through slicing according to the thickness of the thermoelectric element. In this case, 13% is removed again, leaving 67% of the total thermoelectric material.
다음, 웨이퍼 양쪽면에 확산방지층이 코팅된다.Next, diffusion barrier layers are coated on both sides of the wafer.
다음, 확산방지층이 코팅된 웨이퍼가 열전소자의 면적에 맞춰 다이싱(dicing)된다. 이 경우에는 다시 12%가 제거되어 전체 열전재료의 55%가 남게 된다.Next, the wafer coated with the diffusion barrier layer is diced according to the area of the thermoelectric element. In this case, 12% is removed again, leaving 55% of the total thermoelectric material.
마지막으로, 선별 과정(sorting)을 거쳐 열전소자가 제조된다. 이 경우에는 15%가 제거되어 전체 열전재료의 40% 수준이 남게 되어, 잉곳 형태의 열전재료로부터 직육면체 형태의 열전소자를 제조하는 공정은 40%의 수율을 나타낸다.Finally, a thermoelectric element is manufactured through sorting. In this case, 15% is removed, leaving 40% of the total thermoelectric material, and the process of manufacturing a rectangular parallelepiped thermoelectric element from an ingot-type thermoelectric material yields 40%.
이와 같이, 열전모듈에 사용하는 n형 및 p형 Bi-Te계 열전소자는 잉곳 제조 후 여러 단계의 가공 공정이 필요하기 때문에, 열전소자 제조 수율이 현저하게 떨어지게 된다.As described above, since n-type and p-type Bi-Te-based thermoelectric devices used in thermoelectric modules require several stages of processing after manufacturing ingots, the yield of thermoelectric devices is significantly reduced.
그리고, 이와 같이 제조된 열전소자는 여러 단계의 가공 공정을 거치게 되어 외부 환경에 따라 결로가 발생하여 성능저하의 원인이 발생할 수 있거나, 외부 불순물로부터 열전재료에 손상이 발생할 수 있다.In addition, the thermoelectric device manufactured in this way undergoes several stages of processing, and condensation may occur depending on the external environment, resulting in performance degradation, or damage to the thermoelectric material from external impurities.
따라서, 열전소자는 여러 단계에 걸쳐 열전재료를 자르는 가공 단계의 횟수를 줄여 제조 수율을 향상하고, 여러 공정을 거치면서 발생할 수 있는 성능 저하 요인을 제거할 필요가 있다.Accordingly, the thermoelectric device needs to reduce the number of processing steps for cutting the thermoelectric material over several steps to improve manufacturing yield, and to eliminate performance degradation factors that may occur during various processes.
본 발명의 목적은 열전소자와 동일한 단면적을 갖는 압출재를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시키기 위한, 열전소자 제조 방법, 이를 이용한 열전소자 및 열전모듈을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a thermoelectric device manufacturing method, a thermoelectric device and a thermoelectric module using the same, for manufacturing an extruded material having the same cross-sectional area as a thermoelectric device, and manufacturing a thermoelectric device using the same to increase the yield of manufacturing the thermoelectric device. .
또한, 본 발명의 다른 목적은 열전재료 소결체를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시키기 위한, 열전소자 제조 방법, 이를 이용한 열전소자 및 열전모듈에 관한 것이다.In addition, another object of the present invention relates to a thermoelectric device manufacturing method, a thermoelectric device and a thermoelectric module using the same for manufacturing a thermoelectric material sintered body, and manufacturing a thermoelectric device using the same to increase the manufacturing yield of the thermoelectric device.
본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 제조 방법은, 잉곳 형태의 압출재(10)를 성형하는 성형 단계; 상기 압출재(10)의 측면에 절연막(11)을 형성한 후, 상기 압출재(10)를 단위 소재(20)로 절단하는 절단 단계; 및 상기 단위 소재(20)의 절단면에 확산방지층(21)을 형성하여 열전소자(30)를 제조하는 형성 단계;를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention includes a molding step of forming an
상기 압출재(10)는, 상기 열전소자(30)의 타입에 따라 조성 성분이 결정되는 것일 수 있다.The
상기 압출재(10)는, 원형 또는 다각형 단면 형상일 수 있다.The
상기 압출재(10)는, 압출기를 통해 분말체를 봉 형상으로 가압 성형한 후, 가열하여 소결시켜 만들어지는 것일 수 있다.The
상기 절단 단계는, 상기 압출재(10)를 길이 방향으로 이동시키면서 상기 열전소자(30)의 높이로 절단하여 상기 단위 소재(20)를 생성하는 것일 수 있다.The cutting step may be to generate the unit material 20 by cutting the
상기 압출재(10)의 단면적은, 상기 열전소자(30)의 단면적과 동일한 것일 수 있다.The cross-sectional area of the
상기 형성 단계는, 상기 단위 소재(20)를 확산방지층 도금액이 담긴 배럴(barrel)에 투입하여 상기 절단면을 상기 확산방지층 도금액으로 도금하는 배럴 도금을 통해 상기 확산방지층(21)을 형성하는 것일 수 있다.The forming step may include forming the
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자 제조 방법은, 열전재료 소결체(40)를 성형하는 성형 단계; 상기 열전재료 소결체(40)를 절단하여 슬라이싱재(41)를 형성하는 제1 절단 단계; 상기 슬라이싱재(41)의 측면에 절연막(42)을 형성한 후, 상기 슬라이싱재(41)를 단위 소재(50)로 절단하는 제2 절단 단계; 및 상기 단위 소재(50)의 절단면에 확산방지층(51)을 형성하여 열전소자(60)를 제조하는 형성 단계;를 포함할 수 있다.In addition, a method of manufacturing a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention includes a molding step of forming a sintered body of
상기 열전재료 소결체(40)는, 상기 열전소자(60)의 타입에 따라 조성 성분이 결정되는 것일 수 있다.The thermoelectric material sintered
상기 열전재료 소결체(40)는, 분말체를 웨이퍼 형상으로 가압 성형한 후 가열하여 소결시켜 만들어지는 것일 수 있다.The thermoelectric material sintered
상기 제1 절단 단계는, 상기 열전재료 소결체(40)를 일방향으로 슬라이싱하여 사각형 단면의 봉 형상인 슬라이싱재(41)로 가공하는 것일 수 있다.The first cutting step may include slicing the thermoelectric material sintered
상기 제2 절단 단계는, 상기 슬라이싱재(41)를 길이 방향으로 이동시키면서 상기 열전소자(60)의 높이로 절단하여 상기 단위 소재(50)를 생성하는 것일 수 있다.The second cutting step may be to generate the
상기 슬라이싱재의 단면적은, 상기 열전소자의 단면적과 동일한 것일 수 있다.The cross-sectional area of the slicing material may be the same as that of the thermoelectric element.
상기 형성 단계는, 상기 단위 소재(50)를 확산방지층 도금액이 담긴 배럴(barrel)에 투입하여 상기 면을 상기 확산방지층 도금액으로 도금하는 배럴 도금을 통해 상기 확산방지층(51)을 형성하는 것일 수 있다.The forming step may include forming the
본 발명은 열전소자와 동일한 단면적을 갖는 압출재를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시킬 수 있다.According to the present invention, an extruded material having the same cross-sectional area as that of a thermoelectric element is manufactured, and a thermoelectric element is manufactured using the same, thereby increasing the production yield of the thermoelectric element.
또한, 본 발명의 다른 목적은 열전재료 소결체를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시킬 수 있다.In addition, another object of the present invention is to manufacture a thermoelectric material sintered body, and to manufacture a thermoelectric device using the same, it is possible to increase the production yield of the thermoelectric device.
도 1은 잉곳 형태의 열전재료로부터 직육면체 형태의 열전소자를 제조하는 공정을 설명하는 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면,
도 4는 도 2의 방법에 따라 제조된 열전소자를 이용한 열전모듈을 나타낸 도면,
도 5는 도 3의 방법에 따라 제조된 열전소자를 이용한 열전모듈을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a process of manufacturing a rectangular parallelepiped-shaped thermoelectric element from an ingot-shaped thermoelectric material;
2 is a diagram illustrating a method of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a method of manufacturing a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention;
4 is a view showing a thermoelectric module using a thermoelectric device manufactured according to the method of FIG. 2;
5 is a diagram illustrating a thermoelectric module using a thermoelectric element manufactured according to the method of FIG. 3.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in the following description and the accompanying drawings, detailed descriptions of known functions or configurations that may obscure the subject matter of the present invention will be omitted. In addition, it should be noted that the same components throughout the drawings are indicated by the same reference numerals as much as possible.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the present specification and claims described below should not be construed as being limited to a conventional or dictionary meaning, and the inventors are appropriately defined as terms for describing their own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all the technical ideas of the present invention, and thus various alternatives that can be substituted for them at the time of application It should be understood that there may be equivalents and variations.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.In the accompanying drawings, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated, and the size of each component does not entirely reflect the actual size. The invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.When a part of the specification is said to "include" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated. Further, when a part is said to be "connected" with another part, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being "electrically connected" with another element interposed therebetween.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. Terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations of these described in the specification, but one or more other features, numbers, or steps. It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of, operations, components, parts, or combinations thereof.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a method of manufacturing a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 제조 방법은, 열전소자와 동일한 단면적을 갖는 유사정형(similar type) 압출 열전재료(즉, 압출재)(10)를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자(30)를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시킬 수 있다.As shown in Figure 2, the thermoelectric device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, a similar type (similar type) extruded thermoelectric material (ie, extruded material) 10 having the same cross-sectional area as the thermoelectric device, By using this, the
먼저, S1 단계는 제조하려는 열전소자와 동일한 단면적을 갖는 압출재(10)를 압출기를 통해 성형한다. First, in step S1, the extruded
이러한 압출재(10)는 열전소자의 타입에 따라 조성 성분이 결정된다. 즉, 압출재(10)는 n형 반도체물질이 포함된 n형 열전소자 또는 p형 반도체물질이 포함된 p형 열전소자를 제조하기 위한 조성 성분으로 성형된다. 예를 들어, n형 열전소자는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트 텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 물질이 포함되고, p형 열전소자는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트 텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 물질이 포함될 수 있다.The composition of the extruded
이러한 압출재(10)는 압출기를 통해 분말체를 적당한 형상(여기서, 봉 형상)으로 가압 성형한 후 가열하여 소결시켜 만들어진다. 이때, 압출재(10)는 원형 또는 다각형의 단면 형상을 가질 수 있다.The extruded
다음, S2 단계는 압출재(10) 측면에 절연막(11)을 형성한다.Next, step S2 forms an insulating
이러한 압출재(10)는 n형 또는 p형 반도체물질이 포함되어 있기 때문에 표면 상에 전기전도도가 있으므로, 전기적인 절연을 위해 표면 상에 얇게 절연막(11)을 형성한다. 여기서, 절연막(11)은 건식 공정(예, PECVD) 또는 습식 공정(예, 스핀 코팅)을 통해 형성될 수 있고, 예를 들어, SiO2, Si3N4, SiON 등의 박막일 수 있다.Since the extruded
다음, S3 단계는 열전소자의 높이를 갖도록 절연막(11)이 형성된 압출재(10)를 절단(또는 슬라이싱)하여 단위 소재(20)로 생성한다. 즉, S3 단계는 절단 단계로서, 압출재(10)를 길이 방향을 따라 이동하면서 열전소자의 높이로 절단하여 단위 소재(20)를 생성한다. Next, in step S3, the extruded
여기서, 열전소자의 높이는 후술할 단위 소재(20)의 높이에 해당되고, 열전모듈 형성시 상부와 하부에 형성된 금속 전극 사이의 간격에 해당된다. 이처럼, 단위 소재(20)의 크기는 열전소자의 크기에 해당된다.Here, the height of the thermoelectric element corresponds to the height of the unit material 20 to be described later, and corresponds to the gap between the metal electrodes formed at the upper and lower portions when the thermoelectric module is formed. As such, the size of the unit material 20 corresponds to the size of the thermoelectric element.
도 2에서 하나의 압출재(10)는 원기둥 형태의 단위 소재(20)가 다수 개 제조된다.In FIG. 2, one extruded
S3 단계의 가공 단계를 통해, 단위 소재(20)의 측면은 절연막(11)이 형성된 상태가 유지되고, 상단면과 하단면은 절단 가공을 통해 형성된 절단면이다. 이처럼, 단위 소재(20)의 상단면 및 하단면은 절연막(11)이 형성되어 있지 않다.Through the processing step of step S3, the side surface of the unit material 20 is maintained in a state in which the insulating
단위 소재(20)의 측면에 형성된 절연막(11)은 수분이 침투할 수 없도록 기밀하게 밀봉하는 기능을 담당함으로써, 단위 소재(20)의 측면은 S4 단계에서 확산방지층 도금액에 침지하더라도 확산방지층이 형성되지 않는다.The insulating
반면, 단위 소재(20)의 상단면과 하단면은 후술할 도 4 및 도 5의 전극과 직접 접촉되는 면에 해당되어 확산방지층을 형성할 필요가 있는 부분으로, S4 단계에서 확산방지층 도금액에 침지할 때 확산방지층(21)이 형성된다.On the other hand, the top and bottom surfaces of the unit material 20 correspond to the surfaces in direct contact with the electrodes of FIGS. 4 and 5 to be described later, so that the diffusion barrier layer needs to be formed, and is immersed in the diffusion barrier plating solution in step S4. When doing so, the
이를 통해, S2 단계와 S3 단계를 통해 형성된 단위 소재(20)는 S4 단계에서 확산방지층 도금액에 침지할 때 확산방지층을 형성해야 하는 부분에만 선택적으로 도금이 이루어지게 된다. 이로써, S4 단계 이후에는 단위 소재(20)의 측면에 형성된 확산방지층을 제거하는 과정이 필요없게 된다.Through this, when the unit material 20 formed through the steps S2 and S3 is immersed in the diffusion barrier plating solution in the step S4, plating is selectively performed only on the portion where the diffusion barrier is to be formed. Accordingly, after step S4, the process of removing the diffusion barrier layer formed on the side of the unit material 20 is not required.
전술한 바와 같이, S4 단계는 단위 소재(20)의 절단면(즉, 상단면과 하단면)에 확산방지층(21)을 형성한다. 여기서, 확산방지층 도금액은 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 중 어느 하나 또는 혼합된 합금 재질일 수 있다. 이러한 확산방지층(21)은 열전재료 간의 물질 확산에 의한 열전성능 저하를 방지하기 위해 형성된다.As described above, in step S4, the
S4 단계는 배럴 도금(barrel plating)을 통해 진행되는데, 배럴 도금은 다수 개의 단위 소재(20)를 확산방지층 도금액이 담긴 배럴(barrel)에 투입한 후, 회전하는 배럴에 전원을 인가하여 다수 개의 단위 소재(20)의 절단면을 동시에 도금하게 된다. 전술한 바와 같이, 단위 소재(20)의 측면은 절연막(11)이 형성되어 있기 때문에 확산방지층(21)이 형성되지 않는다.Step S4 is carried out through barrel plating. In the barrel plating, a plurality of unit materials 20 are injected into a barrel containing the diffusion barrier plating solution, and then power is applied to the rotating barrel. The cut surface of the material 20 is plated at the same time. As described above, since the insulating
다음, S5 단계는 단위 소재(20)의 절단면에 확산방지층(21)을 형성한 후, 불순물 또는 이물질 등을 제거하여 최종적으로 열전소자(30)를 제조한다.Next, in step S5, after forming the
이와 같이, 전술한 S3 단계에서만 슬라이싱을 통해 압출재(10)를 절단 가공함으로써 소재의 손실이 발생하게 된다. 즉, 본 발명의 일실시예는 S1 단계 내지 S5 단계 중 S3 단계에서만 소재 손실이 발생하므로, 도 1의 제조 수율을 고려할 때 열전소자의 제조 수율을 80% 이상으로 증대할 수 있음을 알 수 있다.In this way, loss of the material occurs by cutting the extruded
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자 제조 방법을 설명하는 도면이다.3 is a diagram illustrating a method of manufacturing a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전소자 제조 방법은, 열전재료 소결체(40)를 제조하고, 이를 이용하여 열전소자를 제조하여 열전소자 제조 수율을 증가시킬 수 있다.As shown in FIG. 3, in a method of manufacturing a thermoelectric device according to another embodiment of the present invention, a thermoelectric material sintered
먼저, S11 단계는 열전재료 소결체(40)를 성형한다. 이러한 열전재료 소결체(40)는 전술한 압출재(10)와 마찬가지로, 열전소자 타입에 따라 열전재료의 조성 성분이 결정된다. 즉, 열전재료 소결체(40)는 n형 반도체물질이 포함된 n형 열전소자 또는 p형 반도체물질이 포함된 p형 열전소자를 제조하기 위한 조성 성분으로 성형된다. 예를 들어, n형 열전소자는 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트 텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 물질이 포함되고, p형 열전소자는 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무트(Bi), 인듐(In)을 포함한 비스무트 텔룰라이드계(BiTe계)로 이루어지는 물질이 포함될 수 있다.First, in step S11, the thermoelectric material sintered
열전재료 소결체(40)는 예를 들어, 분말체를 적당한 형상(여기서, 웨이퍼 형상)으로 가압 성형한 후 가열하여 소결시켜 만들어진다.The thermoelectric material sintered
다음, S12 단계는 웨이퍼 형태의 열전재료 소결체(40)를 일방향으로 슬라이싱(slicing)하여 다수 개의 슬라이싱재(41)를 생성한다. S12 단계는 제1 절단 단계에 해당된다.Next, in step S12, a plurality of slicing
이러한 슬라이싱재(41)는 전술한 압출재(10)에 대응되고, 사각형의 단면 형상을 가지고, 슬라이싱 방향(즉, 길이 방향)으로 봉 형상으로 형성된다. 즉, 슬라이싱재(41)의 단면적은 열전소자의 단면적과 동일하다. 여기서, 열전소자의 단면적은 후술할 단위 소재(50)의 절단면의 면적으로서, 열전모듈 형성시 금속 전극에 접합되는 면의 면적에 해당된다.The slicing
다음, S13 단계는 슬라이싱재(41) 측면에 절연막(42)을 형성한다. 여기서, 절연막(42)에 대한 설명은 전술한 바와 중복되므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.Next, in step S13, an insulating
다음, S14 단계는 열전소자의 높이를 갖도록 절연막(42)이 형성된 슬라이싱재(41)를 다시 절단하여 단위 소재(50)로 생성한다. S14 단계는 제2 절단 단계에 해당된다. 즉, S14 단계는 슬라이싱재(41)를 길이 방향을 따라 이동하면서 열전소자의 높이로 단위 소재(50)를 생성한다. Next, in step S14, the slicing
여기서, 열전소자의 높이는 단위 소재(50)의 높이에 해당되고, 열전모듈 형성시 상부와 하부에 형성된 금속 전극 사이의 간격에 해당된다.Here, the height of the thermoelectric element corresponds to the height of the
이처럼, 단위 소재(50)의 크기는 열전소자의 크기에 해당된다.As such, the size of the
도 3에서 하나의 슬라이싱재(41)는 직육면체 형태의 단위 소재(50)가 다수개 제조된다.In FIG. 3, one slicing
다음, S15 단계는 단위 소재(50)의 절단면(즉, 상단면과 하단면)에 확산방지층(51)을 형성한다. S15 단계는 배럴 도금을 통해 진행되는데, 이에 대한 자세한 설명은 전술한 바와 중복되므로, 자세한 설명을 생략하기로 한다.Next, in step S15, the
다음, S16 단계는 단위 소재(50)의 절단면에 확산방지층(51)을 형성한 후, 불순물 또는 이물질 등을 제거하여 최종적으로 열전소자(60)를 제조한다.Next, in step S16, after forming the
한편, 전술한 S12 단계와 S14 단계에서 슬라이싱을 통해 소재의 손실이 발생한다. 즉, 본 발명의 다른 실시예는 S11 단계 내지 S16 단계 중 S12 단계 및 S14 단계에서 2차례 소재 손실이 발생하므로, 도 1에서 3차례 이상 가공 공정을 진행하는 것을 비교할 때 열전소자의 제조 수율을 40% 이상 기대할 수 있다.Meanwhile, loss of material occurs through slicing in steps S12 and S14 described above. That is, in another embodiment of the present invention, since material loss occurs twice in steps S12 and S14 among steps S11 to S16, the manufacturing yield of the thermoelectric device is reduced to 40 when comparing the processing process three or more times in FIG. You can expect more than %.
도 4는 도 2의 방법에 따라 제조된 열전소자를 이용한 열전모듈을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3의 방법에 따라 제조된 열전소자를 이용한 열전모듈을 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a thermoelectric module using a thermoelectric device manufactured according to the method of FIG. 2, and FIG. 5 is a diagram illustrating a thermoelectric module using a thermoelectric device manufactured according to the method of FIG. 3.
도 4 및 도 5를 참조하면, Bi-Te계 열전모듈은 도 2 및 도 3의 방법에 따라 제조된 p형 열전소자와 n형 열전소자를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성한다. p형 열전소자와 n형 열전소자의 상단면과 하단면에 형성된 확산방지층은 접합층을 통해 금속 전극들에 접합된다. 그리고, 상부와 하부에 형성된 금속 전극들 각각은 세라믹 재질의 상부 절연기판과 하부 절연기판에 접합된다.4 and 5, the Bi-Te-based thermoelectric module forms a PN junction pair by bonding a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element manufactured according to the method of FIGS. 2 and 3 between metal electrodes. . The diffusion barrier layers formed on the top and bottom surfaces of the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are bonded to the metal electrodes through the bonding layer. Further, each of the metal electrodes formed on the upper and lower portions is bonded to an upper insulating substrate and a lower insulating substrate made of a ceramic material.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.Although the above description has been described with focus on the novel features of the present invention applied to various embodiments, those skilled in the art will have the above-described apparatus and method without departing from the scope of the present invention. It will be appreciated that various deletions, substitutions, and changes are possible in the form and detail of a. Accordingly, the scope of the invention is defined by the appended claims rather than by the above description. All modifications within the equivalent range of the claims are included in the scope of the present invention.
10 ; 압출재
11,42 ; 절연막
20,50 ; 단위 소재
21,51 ; 확산방지층
30,60 ; 열전소자
40 ; 열전재료 소결체
41 ; 슬라이싱재10;
20,50;
30,60;
41; Slicing material
Claims (16)
상기 압출재(10)의 측면에 절연막(11)을 형성한 후, 상기 압출재(10)를 단위 소재(20)로 절단하는 절단 단계; 및
상기 단위 소재(20)의 절단면에 확산방지층(21)을 형성하여 열전소자(30)를 제조하는 형성 단계;
를 포함하는 열전소자 제조 방법.
A molding step of molding the extruded material 10 in the form of an ingot;
A cutting step of cutting the extruded material 10 into a unit material 20 after forming the insulating film 11 on the side surface of the extruded material 10; And
A forming step of manufacturing a thermoelectric device 30 by forming a diffusion barrier layer 21 on the cut surface of the unit material 20;
Thermoelectric device manufacturing method comprising a.
상기 압출재(10)는,
상기 열전소자(30)의 타입에 따라 조성 성분이 결정되는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The extruded material 10,
The method of manufacturing a thermoelectric device in which a composition component is determined according to the type of the thermoelectric device 30.
상기 압출재(10)는,
원형 또는 다각형 단면 형상인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The extruded material 10,
A method of manufacturing a thermoelectric device having a circular or polygonal cross-sectional shape.
상기 압출재(10)는,
압출기를 통해 분말체를 봉 형상으로 가압 성형한 후, 가열하여 소결시켜 만들어지는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The extruded material 10,
A method of manufacturing a thermoelectric device by pressing the powder body into a rod shape through an extruder and then heating and sintering it.
상기 절단 단계는,
상기 압출재(10)를 길이 방향으로 이동시키면서 상기 열전소자(30)의 높이로 절단하여 상기 단위 소재(20)를 생성하는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The cutting step,
The method of manufacturing a thermoelectric device by cutting the extruded material (10) to the height of the thermoelectric device (30) while moving in the longitudinal direction to generate the unit material (20).
상기 압출재(10)의 단면적은,
상기 열전소자(30)의 단면적과 동일한 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The cross-sectional area of the extruded material 10 is,
The method of manufacturing a thermoelectric device that is the same as the cross-sectional area of the thermoelectric device 30.
상기 형성 단계는,
상기 단위 소재(20)를 확산방지층 도금액이 담긴 배럴(barrel)에 투입하여 상기 절단면을 상기 확산방지층 도금액으로 도금하는 배럴 도금을 통해 상기 확산방지층(21)을 형성하는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 1,
The forming step,
The method of manufacturing a thermoelectric device, wherein the diffusion barrier layer 21 is formed through barrel plating in which the unit material 20 is injected into a barrel containing a diffusion barrier plating solution and the cut surface is plated with the diffusion barrier plating solution.
상기 열전재료 소결체(40)를 절단하여 슬라이싱재(41)를 형성하는 제1 절단 단계;
상기 슬라이싱재(41)의 측면에 절연막(42)을 형성한 후, 상기 슬라이싱재(41)를 단위 소재(50)로 절단하는 제2 절단 단계; 및
상기 단위 소재(50)의 절단면에 확산방지층(51)을 형성하여 열전소자(60)를 제조하는 형성 단계;
를 포함하는 열전소자 제조 방법.
A forming step of forming the thermoelectric material sintered body 40;
A first cutting step of cutting the thermoelectric material sintered body 40 to form a slicing material 41;
A second cutting step of cutting the slicing material 41 into a unit material 50 after forming the insulating film 42 on the side surface of the slicing material 41; And
A forming step of manufacturing a thermoelectric device 60 by forming a diffusion barrier layer 51 on the cut surface of the unit material 50;
Thermoelectric device manufacturing method comprising a.
상기 열전재료 소결체(40)는,
상기 열전소자(60)의 타입에 따라 조성 성분이 결정되는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 8,
The thermoelectric material sintered body 40,
The method of manufacturing a thermoelectric device, wherein the composition component is determined according to the type of the thermoelectric device 60.
상기 열전재료 소결체(40)는,
분말체를 웨이퍼 형상으로 가압 성형한 후 가열하여 소결시켜 만들어지는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 8,
The thermoelectric material sintered body 40,
A method of manufacturing a thermoelectric device that is made by pressing the powder body into a wafer shape and then heating and sintering.
상기 제1 절단 단계는,
상기 열전재료 소결체(40)를 일방향으로 슬라이싱하여 사각형 단면의 봉 형상인 슬라이싱재(41)로 가공하는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 8,
The first cutting step,
The method of manufacturing a thermoelectric device by slicing the thermoelectric material sintered body 40 in one direction to form a slicing material 41 having a rectangular cross section.
상기 제2 절단 단계는,
상기 슬라이싱재(41)를 길이 방향으로 이동시키면서 상기 열전소자(60)의 높이로 절단하여 상기 단위 소재(50)를 생성하는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 8,
The second cutting step,
The method of manufacturing a thermoelectric device by cutting the slicing material (41) to the height of the thermoelectric device (60) while moving the slicing material (41) in the longitudinal direction to generate the unit material (50).
상기 슬라이싱재의 단면적은,
상기 열전소자의 단면적과 동일한 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 8,
The cross-sectional area of the slicing material is,
The method of manufacturing a thermoelectric device that is the same as the cross-sectional area of the thermoelectric device.
상기 형성 단계는,
상기 단위 소재(50)를 확산방지층 도금액이 담긴 배럴(barrel)에 투입하여 상기 면을 상기 확산방지층 도금액으로 도금하는 배럴 도금을 통해 상기 확산방지층(51)을 형성하는 것인 열전소자 제조 방법.
The method of claim 8,
The forming step,
The method of manufacturing a thermoelectric device, wherein the diffusion barrier layer 51 is formed through barrel plating in which the unit material 50 is injected into a barrel containing a diffusion barrier plating solution and the surface is plated with the diffusion barrier plating solution.
A thermoelectric device manufactured by the thermoelectric device manufacturing method according to any one of claims 1 to 14.
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